Att analysera protonens massa

APS/Alan Stonebraker

APS/Alan Stonebraker

Nästan all massa i känd materia finns i protoner och neutroner – de partiklar som utgör atomkärnorna. Men hur får protonerna och neutronerna sin massa? Var och en av dessa partiklar, eller ”nukleoner”, består av en tät, skummande röra av andra partiklar: kvarkar, som har massa, och gluoner, som inte har det. Ändå utgör kvarkarnas massa endast 1 procent av protonens eller neutronens massa, och huvuddelen av protonens massa kommer helt och hållet från kvarkarnas och gluonernas rörelse och inneslutning. Yi-Bo Yang från Michigan State University i East Lansing och kolleger har nu för första gången kvantifierat fyra separata bidrag till protonens massa genom en beräkning baserad på kvantkromodynamik (QCD), den grundläggande teorin om den starka växelverkan i kärnan och en hörnsten i partikelfysikens standardmodell. Även om denna fyrdelade nedbrytning har varit känd i mer än 20 år har fysikernas förståelse av den endast varit kvalitativ.

Kvarkarna som utgör proton och neutron är fundamentala partiklar, som får sina massor genom Higgs-mekanismen. Samma mekanism förklarar inte massan hos protonen, som består av två up-kvarkar ( 2,4MeV∕c2 vardera) och en down-kvark ( 5,0MeV∕c2) . Det är uppenbart att summan av dessa tre massor är långt ifrån den verkliga protonmassan, 938,27MeV∕c2. Nu säger kvantmekaniken att det också finns en massa (eller motsvarande energi) som är förknippad med kvarkarnas inneslutning i protonen, vars diameter är ungefär 10-15 meter. Med hjälp av ett argument från osäkerhetsprincipen översätts partiklarnas instängda position till ett stort momentum och bör tillföra cirka 300MeV∕c2-i rätt bollplan för protonmassan, men fortfarande för liten. (Liknande argument gäller för neutronen, som består av två nedåtriktade kvarkar och en uppåtriktad kvark.)

Faktiskt sett har det funnits exakta förutsägelser från standardmodellen om både proton- och neutronmassan i ett decennium . Vid de låga energier som är relevanta för en atomkärna kan dessa massor förutsägas från endast tre parametrar: en övergripande masseskala, som genereras dynamiskt i QCD, och parametrarna för upp- och nedkvarken. Proton- och neutronmassorna är kända mycket mer exakt från experiment än vad som någonsin kommer att vara möjligt med hjälp av standardmodellens förutsägelser. Fysiker skulle dock vilja förstå hur massorna uppstår ur QCD, på samma sätt som de kan förutsäga vätgasspektrumet utifrån kvantteori.

Yang och kollegor har gjort just detta och för första gången fastställt de olika bidragen till protonmassan som uppstår ur kvark- och gluondynamiken . Forskarna förlitar sig på en kraftfull metod som kallas lattice QCD, som placerar kvarkar på platserna i ett gitter och gluoner på länkarna mellan dem. Denna rigorösa representation av QCD kan implementeras numeriskt, och det är den enda QCD-baserade metoden som kan göra kvantitativa förutsägelser på längdskalor som är jämförbara med protonens eller större. (På dessa skalor är växelverkan mellan kvarkar och gluoner så stark att den inte kan hanteras med Feynman-diagram och andra ”perturbativa” metoder). Lattice QCD är dock en dyr teknik. Diskretiseringen skapar fel, och för att ta bort dem måste man ta gitteravståndet, a, till noll. Detta steg uppnås i praktiken genom att utföra flera beräkningar vid olika värden på a, till en hög numerisk kostnad som skalar som a-6. Icke desto mindre har lattice QCD mognat avsevärt under de senaste åren, vilket har möjliggjort den mest exakta bestämningen av kvarkmassorna och många egenskaper hos lätta och tunga mesoner , som består av en kvark och en antikvark.

En partikel med tre kvarkar, som nukleonen, är exponentiellt mer komplicerad för lattice QCD, och framgångsrika beräkningar, där alla osäkerhetskällor har kontrollerats, har varit sällsynta. I sitt arbete övervinner Yang och medarbetare några av komplikationerna genom att använda nya beräkningsmetoder som de, tillsammans med andra, utvecklat . Dessa framsteg gjorde det möjligt för dem att beräkna bidraget till protonmassan från fyra källor kända som kvarkkondensatet ( ∼9%), kvarkenergin ( ∼32%), energin för gluonisk fältstyrka ( ∼37%) och det anomala gluoniska gluoniska bidraget ( ∼23%) (fig. 1). Det minsta bidraget, kvarkkondensatet, är en blandning av uppåt- och nedåtriktade kvarkar och ett ”hav” av virtuella konstiga kvarkar, och det är det enda som skulle försvinna om kvarkmassorna var noll. De övriga tre termerna är alla relaterade till dynamiken hos kvarkarna och gluonerna och deras inneslutning i protonen. Kvarkenergin och gluonfältstyrkan motsvarar den kinetiska energin hos de instängda kvarkarna respektive de instängda gluonerna. Den anomala termen är en ren kvanteffekt. Den är förknippad med QCD:s massaskala och består av bidrag från kondensat av alla kvarkvarianter, inklusive strange-, charm-, bottom- och topkvarkar. Yang och kollegors beräkning visar att om upp-, ned- och konstiga kvarkmassor alla var noll skulle protonen fortfarande ha mer än 90 % av sin experimentella massa. Med andra ord kommer nästan all känd massa i universum från dynamiken hos kvarkar och gluoner.

Fysiker har länge velat förstå uppkomsten av nukleonmassan i termer av standardmodellen, och resultaten från Yang och medarbetare är ett viktigt bidrag till det målet. Deras arbete och andra liknande arbeten innebär också en ny era, där vår förståelse av nukleoner i allt högre grad formas av kvantitativa förutsägelser baserade på lattice QCD. Så sent som i år använde forskare lattice QCD för att bestämma nukleonernas axiella laddning, en allestädes närvarande storhet inom kärnfysiken, med en oöverträffad precision på 1 % . Lattice QCD, tillsammans med kraftfulla analytiska metoder för att förenkla QCD-beräkningar, kommer att leda till en bättre förståelse av nukleonens substruktur , som undersöks vid olika kollisionsmaskiner runt om i världen och som skulle vara ett av fokusområdena för en föreslagen maskin kallad Electron-Ion Collider. I slutändan är förhoppningen att lattice QCD kan tillämpas på en kärna (flera nukleoner). Kärnor används som detektorer i flera experimentella sökningar efter fysik bortom standardmodellen, t.ex. mörk materia, ett permanent elektriskt dipolmoment och neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall. För att tolka dessa experiment krävs en kvantitativ förståelse av kärnfysiken som är förankrad i standardmodellen. Den här typen av komplexa problem är alltmer inom området för lattice QCD tack vare tillgången till de nästan-exascale-datorer, Sierra och Summit, som nu tas i bruk och som är 10 till 15 gånger kraftfullare än till och med de datorer som används av Yang och medarbetare.

Den här forskningen har publicerats i Physical Review Letters.

1. Y.-B. Yang, J. Liang, Y.-J. Bi, Y. Chen, T. Draper, K.-F. Liu och Z. Liu, ”Proton mass decomposition from the QCD energy momentum tensor”, Phys. Rev. Lett. 121, 212001 (2018).
2. X.-D. Ji, ”QCD analysis of the mass structure of the nucleon”, Phys. Rev. Lett. 74, 1071 (1995).
3. S. Aoki et al., ”Review of lattice results concerning low-energy particle physics,” Eur. Phys. J. C 77, 112 (2017); Quarks har inte en massa i den mening som elektronen har. Men en massparameter för kvarkarna kan ändå definieras rigoröst med ett specificerat renormaliseringsschema och en specificerad skala. De massor som anges av Aoki et al. är i det så kallade MS-bar-schemat med en skala på 2 GeV.
4. S. Durr et al., ”Ab initio determination of light hadron masses”, Science 322, 1224 (2008).
5. A. Bazavov et al., ”Up-, down-, strange-, charm-, and bottom-quark masses from four-flavor lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 054517 (2018).
6. K-F. Liu, J. Liang, and Y.-B, Yang, ”Variance reduction and cluster decomposition,” Phys. Rev. D 97, 034507 (2018).
7. Y.-B. Yang, M. Gong, J. Liang, H.-W. Lin, K.-F. Liu, D. Pefkou och P. Shanahan, ”Nonperturbatively renormalized glue momentum fraction at the physical pion mass from lattice QCD”, Phys. Rev. D 98, 074506 (2018).
8. Y.-B. Yang, R. Sufian, A. Alexandru, T. Draper, M.J. Glatzmaier, K.-F. Liu och Y. Zhao, ”Glue spin and helicity in the proton from lattice QCD”, Phys. Rev. Lett. 118, 102001 (2017).
9. C. C. Chang et al., ”A per-cent-level determination of the nucleon axial coupling from quantum chromodynamics,” Nature 558, 91 (2018).
10. H.-W. Lin et al., ”Partonfördelningar och lattice QCD-beräkningar: A community white paper,” Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 107 (2018).

Om författaren

André Walker-Loud är Staff Scientist vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Han fick sin doktorsexamen från University of Washington i Seattle. Därefter har han haft postdoktorala forskningsanställningar vid University of Maryland, The College of William & Mary (W&M) och LBNL följt av en gemensam anställning som biträdande professor i fysik vid W&M och som Senior Staff Scientist vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility. I sin forskning använder han lattice QCD och effektiv fältteori för att få en kvantitativ förståelse för hur kärnfysik uppstår ur QCD. Han är också intresserad av att undersöka standardmodellens gränser genom att testa grundläggande symmetrier i nukleära miljöer.

Temaområden

Fler artiklar